Nanostructured titanium oxide as active insertion material for negative electrodes in Li-ion batteries

par Marcus Fehse

Thèse de doctorat en Chimie et Physicochimie des mat?riaux

Sous la direction de Lorenzo Stievano et de Laure Monconduit.

Soutenue le 08-10-2013

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; ?cole Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Oxydes de titane nanostructure comme mat?riau actif de l'?lectrode n?gative des accumulateurs Li-ion


  • Résumé

    Les mat?riaux ? base de dioxyde de titane (TiO2) sont des candidats prometteurs pour remplacer le graphite utilis? actuellement dans les ?lectrodes n?gatives des batteries lithium-ion (LIB), du fait de leur s?curit? ?lev?e, de leur capacit? volum?trique sup?rieure et de leurs excellentes performances ? hautepuissance.Dans cette th?se, diff?rentes approches de synth?se ? bas co?t sont ?valu?es pour pr?parer du TiO2 nanostructur? avec diff?rentes compositions de phase et des morphologies vari?es. L'influence de ces param?tres sur la capacit? de TiO2 ? ins?rer r?versiblement le lithium est ?tudi?e par des mesures ?lectrochimiques. ? cet ?gard nous avons ?galement ?tudi? l'effet du dopage aliovalent et de la morphologie poreuse sur les propri?t?s d'insertion du TiO2, r?v?lant des r?sultats encourageants avec notamment un transfert de charge am?lior?, principale limitation des mat?riaux ? base d'oxyde de titane. Afin de comprendre le processus de stockage du lithium des deux phases de TiO2 synth?tis?es, des m?thodes de diffraction et de caract?risation spectroscopique ont ?t? utilis?es dans des conditions op?rando.Nous montrons qu'ind?pendamment de leur similitude de composition chimique, les deux phases r?v?lent des m?canismes d'insertion du lithium tr?s diff?rents, menant ? des propri?t?s ?lectrochimiques de charge/d?charge tr?s diff?rentes.Nous avons ?galement am?lior? les performances ?lectrochimiques en travaillant sur la formulation d'?lectrodes ? base de TiO2 nanostructur?, en optimisant le choix des composants (additif carbon?, liant, ?lectrolyte) et le processus de pr?paration. De nombreuses r?actions parasites ?lectrode-?lectrolyte ont ?t? mises en ?vidence ? travers cette ?tude, ph?nom?nes tr?s peu d?crits dans la litt?rature ? ce jour.


  • Résumé

    Titania based electrode materials are promising candidates to replace widely used graphite as negative electrode material in lithium ion batteries (LIB), due to their increased safety, volumetric capacity, and high rate performance.In this thesis different low-cost synthesis approaches are evaluated to prepare nanostructured TiO2 with various phase composition and morphology. The influence of these parameters on its ability to reversibly insert lithium are studied in electrochemical measurements. In this regard we also investigated the effect of aliovalent doping and porous structures on the insertion properties of two main polymorphs of TiO2, Anatase and TiO2(b), revealing encouraging results in overcoming the low charge transfer, which is the main drawback of titanium oxide based materials.In order to understand the mechanism of lithium storage process of the two synthesized TiO2 phases, diffraction and spectroscopic characterization methods were carried out under operando conditions. We show that, regardless of their chemical similarity, both phases reveal very different lithium insertion processes, leading to distinct electrochemical cycling properties.Another field of interest is the adaptation of electrode components to the nanostructured TiO2 active insertion material. The choice of binder, carbon additive, and electrolyte components can have significant impacts on the performance. Especially the origin and prevention of parasitic side reactions were in the focus of our work, as these pose an under estimated hindrance in the application of titania based electrode materials in LIB.


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